Alfa- ja theta-rytmit
Keskialueen värähtelyihin kuuluvat theta- ja alfa-aallot. Alfa-rytmejä, joiden taajuus on 8-12 Hz, havaittiin ensimmäisen kerran takaraivokuorella, kun koehenkilöt olivat rentoutuneita tai sulkivat silmänsä. Nyt kuitenkin alfa- ja theta-taajuuksien (4-7 Hz) tiedetään osallistuvan moniin erilaisiin heräämistehtäviin monissa aivojen osissa. Monissa tapauksissa nämä lähes 10 Hz:n aallot näyttävät koordinoivan nopeampia värähtelyjä. Hyvin laajassa mielessä lähes 10 Hz:n aallot voivat toimia laajalle levinneenä ”järjestelmäkellona” monissa aivojen osissa. Esimerkiksi theta-aaltojen tiedetään helpottavan väliaikaisten episodisten muistojen koodaamista pitkäaikaiseen episodiseen muistiin. Motorisella aivokuorella alfan kaltaisten rytmien on raportoitu osallistuvan suunniteltujen toimintojen estämiseen. Otsalohkossa alfa-aaltojen kaltaiset aallot osallistuvat hetkelliseen muistin tallentamiseen, ja jotkut tutkijat ovat havainneet, että sekä alfa-aaltojen synkronialla että desynkronialla voi olla merkitystä kognitiivisissa prosesseissa. Edes theta- ja alfa-aaltojen välinen raja ei ole välttämättä selvä, ja jotkut tutkijat uskovat, että nämä aallot eivät välttämättä ole vakiintuneita tavanomaisella alueellaan.
Nopeiden keksintöjen tieteelliset kaudet tuntuvat usein hämmentäviltä, kunnes ne asettuvat johonkin vakiintuneeseen todistusaineiston malliin. Koska empiirinen tiede on arvaamatonta, emme tällä hetkellä tiedä, voidaanko aivoaaltospektri jakaa siististi taajuusalueisiin vai osoittautuuko eri aivoalueilla olevan aivan erilaisia värähtelyjä.
On kuitenkin kohtuullisen yksimielistä siitä, että lähellä 10 Hz:n taajuutta olevat alfa/tea-värähtelyt ovat vuorovaikutuksessa nopeampien värähtelyjen kanssa. Yksi ehdotus on, että aivoaallot muistuttavat radiospektriä, jossa ”kantataajuudet” moduloidaan (amplitudin mukaan, kuten AM-radiossa) tai taajuuden mukaan (FM). Radioaaltojen tapauksessa yleisradioasemat tuottavat sähkömagneettista säteilyä tietyillä viritystaajuuksilla (kuten näet AM- tai FM-soittimesta). Radiovastaanottimet voidaan virittää tärkeimmille taajuuksille. Koska puheeseen ja musiikkiin liittyy nopeampia värähtelyjä, niitä ”kantavat” tavanomaiset viritystaajuudet.
Aivojen tapauksessa uskotaan, että theta-aallot toimivat joskus kantoaaltoina ja että yksittäiset neuronit voivat virittää omat palamismallinsa suhteessa johonkin laajalle levinneeseen theta-aaltoon (Canolty ym., 2006). Koska nämä ovat avoimia kysymyksiä tieteen rajamailla, emme yksinkertaisesti tiedä tarkalleen, miten ne asettuvat pidemmällä aikavälillä.
Nykyisin ei ole päästy yksimielisyyteen nopeampien värähtelyjen, joita usein kutsutaan beetaksi ja gammaksi, alueesta. Toiminnallisia rytmejä on raportoitu jopa 200 Hz:iin ja jopa (lyhytaikaisesti) 600 Hz:iin asti. Koska uusia löydöksiä ilmestyy jatkuvasti, on järkevämpää kuvata kolme taajuusaluetta (ks. kuva 8.1). Keskialueen värähtelyihin kuuluvat klassiset alfa- ja theta-taajuudet, jotka ovat lähellä 10 Hz:n taajuutta. Uusien löydösten vauhti on nyt niin nopea, että voimme odottaa näkevämme paljon enemmän selvyyttä näihin kysymyksiin.
Nyt on havaittu erilaisia taajuuksia aistien prosessoinnissa, aistitulon tarkkaavaisuuden tehostamisessa ja sekä työ- että pitkäkestoisessa muistissa. Synkronisuus on sekä luonnollista että hyödyllistä signalointia varten aivojen kaltaisessa oskilloivassa järjestelmässä. Joskus täydellistä synkroniaa ei voida saavuttaa, joten aallon huipun välillä on lyhyt viive yhdessä paikassa (kuten hippokampuksessa) ja toisessa paikassa (kuten otsalohkossa). Näissä tapauksissa parempi termi on vaihelukitus tai vaihekoherenssi, vähän niin kuin synkopoitu ”off-beat”-rytmi musiikissa. Se on synkroniaa aikaviiveellä.
Yksittäisillä neuroneilla on noin 10 ms:n ajallinen integraatioaika, aika, jolloin dendriittiset syötteet voivat summautua ja lisätä yksittäisen aksonaalisen lähtöpiikin todennäköisyyttä (ks. luku 3). Ryhmä toisiinsa kytkettyjä neuroneja voi vahvistaa toistensa laukaisunopeutta 30-100 Hz:n välillä antamalla synaptisia syötteitä 10 ms:n ikkunan sisällä. Jos kaksi eksitatiivista neuronia viestittää toisilleen esimerkiksi 50 Hz:n taajuudella, on mahdollista ylläpitää eksitatiivista takaisinkytkentäsilmukkaa, koska yhtenevät signaalit voivat saapua kriittisen 10 ms:n jakson sisällä. Kohdehermosolut eivät kuitenkaan välttämättä integroi alle 30 Hz:n neuronipolttonopeuksia, koska eri piikit voivat saapua liian myöhään, jotta niillä olisi additiivisia vaikutuksia. Siksi uskotaan, että beeta-gamma-alueella palavien neuronien ryhmä aiheuttaa voimakkaamman sysäyksen alempana oleville neuroneille kuin matalammat taajuudet. Todelliset aivoverkot ovat luonnollisesti monimutkaisempia, ja niissä on sekä inhiboivia että eksitatorisia elementtejä. Nämä peruskohdat pätevät kuitenkin neuroneihin yleisesti, ja ne ovat saaneet paljon suoraa empiiristä tukea.
Radiolähetyksellä on joitakin yhtäläisyyksiä aivojen oskilloivaan synkroniaan. AM- ja FM-radion olemassaolo viittaa ainakin kahteen tapaan, joilla aivorytmit voivat käsitellä tietoa aivoissa. Mutta koodausjärjestelmiä on monia muitakin. Aivorytmit voisivat toimia kelloina, ja ne voivat käyttää yksittäisiä pulsseja tai pulssisarjoja kuten morsekoodia. Eri neuronit voivat käyttää signaaleja eri tavoin, ehkä yhdessä eri molekyylien ja synapsien kanssa.
Televisio on esimerkki spatiotemporaalisesta koodista, jossa lähetyssignaali pyyhkäisee ruudun jokaisen rivin ylhäältä alas. Tietokoneiden näytöissä käytetään samanlaista spatiotemporaalista koodausta. Aivorytmit todennäköisesti koordinoivat myös visuotopisia karttoja, somatotopisia karttoja ja motorisia karttoja. Kuten olemme maininneet, aivoissa on runsaasti topografisia karttoja, jotka edustavat aistitulojoukkoja tai neuromuskulaarisia karttoja eri abstraktiotasoilla (ks. luku 5).
Evoluutio on hyödyntänyt neuronien rytmisiä ominaisuuksia satojen miljoonien vuosien ajan. Tästä syystä meidän ei pitäisi odottaa löytävämme vain yhtä ainoaa neuraalista koodia. Tiedämme kuitenkin, että aivorytmit ovat hyvin laajalle levinneitä ja että ne liittyvät tunnettuihin toimintoihin.
Loppujen lopuksi aallot voivat myös häiritä toisiaan. Kun asetat radiovastaanottimen tietokoneen viereen, kuulet kohinaa aina, kun painat näppäimistöä. Tämä johtuu siitä, että jokainen näppäimen painallus laukaisee sähkömagneettisen signaalin, joka säteilee ympäröivään tilaan. Aaltojen interferenssi on säteilyn fysiikan perusilmiö. Interferenssillä voi olla tärkeitä käyttötarkoituksia aivoissa, mutta se voi myös heikentää neuraalista tiedonkäsittelyä. Olemme vasta alkaneet ymmärtää aivorytmien merkitystä, mutta on todennäköistä, että aaltojen interferenssillä osoittautuu olevan myös vaikutuksia.